珊瑚吹填土初始剪切模量試驗(yàn)研究?

汪云龍， 袁曉銘， 孫 銳， 張文彬， 王 克

(中國地震局工程力學(xué)研究所 中國地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

珊瑚吹填土初始剪切模量試驗(yàn)研究?

汪云龍， 袁曉銘??， 孫 銳， 張文彬， 王 克

(中國地震局工程力學(xué)研究所 中國地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

珊瑚吹填土是因南海造島工程需求而引起重視的新型工程材料，對(duì)其初始剪切模量(Gmax)的研究是人工島地基變形分析與穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。利用自主研發(fā)的無黏性土初始剪切模量試驗(yàn)設(shè)備，研究珊瑚吹填土振動(dòng)加密過程中的Gmax發(fā)展規(guī)律，并與標(biāo)準(zhǔn)砂和礫石配置的一般無黏性土和陸相沉積的礫性土進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果顯示，珊瑚吹填土與陸源無黏性土的Gmax壓實(shí)度關(guān)系不同，前者存在先增后減的閾值，而后者單調(diào)增加。研究表明，珊瑚吹填土的工程性質(zhì)具有顯著的區(qū)域性；工程建設(shè)中對(duì)珊瑚吹填土振動(dòng)加密效果的控制，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定合理的壓實(shí)度區(qū)間，不可直接套用陸源土方法。

珊瑚吹填土; 島礁工程; 初始剪切模量; 壓實(shí)度; 礫性土

近年來在中國南海的島礁工程建設(shè)中，就地取材的珊瑚土被用作“絞吸吹填”的主要工程材料。珊瑚土以碳酸鈣為礦物基礎(chǔ)，也稱鈣質(zhì)土，其物理組成與工程特性均與一般陸源無黏性土存在明顯區(qū)別[1-3]。珊瑚吹填土是含有珊瑚土的粉粒、砂、礫并夾雜貝殼物的寬級(jí)配無黏性土，盡管工程建設(shè)中已經(jīng)認(rèn)識(shí)到由于吹填工藝造成的特殊沉積條件及復(fù)雜顆粒組成導(dǎo)致其工程性質(zhì)與原位珊瑚土有所區(qū)別，相關(guān)研究仍然僅有零星報(bào)道[4]。對(duì)珊瑚吹填土工程性質(zhì)的研究是項(xiàng)目建設(shè)倒逼科學(xué)進(jìn)步的工程實(shí)踐。

初始剪切模量(Gmax，或稱最大剪切模量)是土的動(dòng)、靜力學(xué)分析的重要參數(shù)[5-6]，與無黏性土抗液化強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)性密切相關(guān)[7-9]，單華剛[10]的研究指出剪切模量對(duì)鈣質(zhì)砂樁端阻力正相關(guān)影響顯著。另一方面，珊瑚吹填土成島要經(jīng)過強(qiáng)夯、振沖等方法進(jìn)行地基處理才能作為工程場(chǎng)地使用，這些處理手段本質(zhì)上都是振動(dòng)加密過程。綜上所述，研究振動(dòng)加密過程中珊瑚吹填土的初始剪切模量變化規(guī)律，是揭示其工程性質(zhì)的有效途徑。

本試驗(yàn)研究采用自主研發(fā)設(shè)備，研究模擬振動(dòng)加密過程中珊瑚吹填土的初始剪切模量發(fā)展規(guī)律，通過對(duì)比指出其與陸源無黏性土的區(qū)別，并指明了對(duì)珊瑚吹填土地基振動(dòng)加密方式地基處理方法改進(jìn)的方向。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料與試樣分組

采用對(duì)比研究方式，將試驗(yàn)分為試驗(yàn)組，即某島礁工程典型工程材料(簡(jiǎn)稱CRS試樣)；對(duì)比組，包括市場(chǎng)上購買的礦采珊瑚砂(簡(jiǎn)稱CMS試樣)、標(biāo)準(zhǔn)砂與單一粒徑礫石配制的一般無黏性土(簡(jiǎn)稱GC試樣)、汶川地震液化礫性土(簡(jiǎn)稱WCG試樣)。各試樣組的物理性質(zhì)及簡(jiǎn)要描述如表1所示。

1.1.1 試驗(yàn)組試樣 該試樣組材料源自某島礁建設(shè)工程，分別取自出砂口附近和匯水區(qū)，可以代表珊瑚吹填土的兩種極端工況。出砂口附近平均粒徑較大，細(xì)粒含量少，該材料簡(jiǎn)稱CRS-R；隨著吹填流體的運(yùn)動(dòng)，吹填材料逐漸沉積，至匯水區(qū)形成平均粒徑較小，細(xì)粒含量高的試樣，簡(jiǎn)稱CRS-F。試樣以片狀顆粒為主，夾雜貝殼物，級(jí)配曲線如圖1(a)所示。

1.1.2 對(duì)比組試樣 CMS材料為市場(chǎng)購買的礦采珊瑚砂，以粒狀顆粒為主，棱角明顯，缺少0.075 mm以下粒組。分別配置粗細(xì)兩種試樣，分別簡(jiǎn)稱CMS-R和CMS-F。GC試樣組由室內(nèi)試驗(yàn)常用福建標(biāo)準(zhǔn)砂與單粒徑花崗巖圓礫按不同比例配置而成，其中GC20試樣表示含礫量20%的試樣，以此類推，該組試樣代表試驗(yàn)室一般無黏性土，其中標(biāo)準(zhǔn)砂比重2.64，圓礫比重2.96； WCG試樣根據(jù)汶川地震液化土層平均顆粒級(jí)配配置，屬于典型陸源的寬級(jí)配無黏性土。對(duì)比組材料級(jí)配曲線如圖1(b)～1(d)所示。

表1 試驗(yàn)材料物理性質(zhì)

圖1 各試樣組級(jí)配曲線Fig.1 Grain size curve of samples

1.2 試驗(yàn)儀器

研究中使用中國地震局工程力學(xué)研究所自主研發(fā)的SEERG-T1型無黏性土Gmax測(cè)試系統(tǒng)。該設(shè)備采用豎向振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)模擬土體振動(dòng)加密過程，使用彎曲元測(cè)試試樣剪切波速而確定試樣Gmax，最大試樣尺寸Φ280 mm×300 mm，試驗(yàn)過程中試樣處于K0狀態(tài)，上覆應(yīng)力25kPa。圖2描述了該系統(tǒng)的組成與測(cè)試情況。

1.3 試驗(yàn)過程與方法

例如：在進(jìn)行小學(xué)英語教學(xué)的時(shí)候，老師應(yīng)用小組合作學(xué)習(xí)要十分注重學(xué)生之間的分工與合作。比如，在學(xué)習(xí)小學(xué)三年級(jí)英語的How are you?這一章節(jié)的內(nèi)容的時(shí)候，老師就可以組織學(xué)生以小組形式進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的對(duì)話，并且老師可以在每一組當(dāng)中選出一位記錄員，讓這位同學(xué)記錄出自己小組每次學(xué)習(xí)的過程中，并且對(duì)話形式可以讓小組中的學(xué)生都可以進(jìn)行口語的聯(lián)系。上述所講的案例中不僅在一定基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)小組成員的分工，還有利于加強(qiáng)學(xué)生的心理素質(zhì)，讓他們學(xué)會(huì)合作，懂得合作，從而實(shí)現(xiàn)小組合作學(xué)習(xí)的優(yōu)化。

試樣成型根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程 SL-237-1999》SL237-054-1999節(jié)粗粒土密度試驗(yàn)干法制樣要求完成。試樣振密分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)結(jié)束后測(cè)量試樣的體積，計(jì)算干密度，測(cè)試剪切波速。彎曲元測(cè)試剪切波初至?xí)r間采用正反雙向激勵(lì)下的“峰-峰”方法，并經(jīng)過激發(fā)頻率修正[11]。Gmax由剪切波速(vs)與干密度(ρ)根據(jù)式(1)確定。

Gmax=ρ·vs2。

(1)

圖2 SEERG-T1系統(tǒng)組成Fig.2 SEERG-T1 system in tests

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 振動(dòng)過程中Gmax的變化

用逐級(jí)振動(dòng)過程中的相對(duì)體積變化表示試樣的振動(dòng)加密過程，各試驗(yàn)組的Gmax發(fā)展模式如圖3(a)～3(c)所示。圖中橫軸為相對(duì)體積變化，根據(jù)式(2)計(jì)算，無量綱?？v軸為對(duì)應(yīng)某級(jí)振密狀態(tài)的Gmax，單位MPa。

ΔV/V=(V0-Vm)/V0。

(2)

式中：V0表示振動(dòng)開始前試樣的體積；Vm表示第m級(jí)振密后試樣的體積。

如圖3(a)所示，平均粒徑較小的珊瑚吹填土試樣CRS-F與CMS-F隨著試樣的振密，Gmax逐漸增大，而增長(zhǎng)速度趨緩，其中原場(chǎng)地CRS-F試樣的模量增大趨于收斂，另外前者的Gmax明顯小于后者；平均粒徑較大的珊瑚吹填土試樣CRS-R與CMS-R隨試樣的振密過程中存在閾值，當(dāng)振密過程處于該閾值之前，Gmax隨試樣的振密而增大，經(jīng)過該閾值后的情況正好相反。在振動(dòng)初期，原場(chǎng)地CRS-R試樣的Gmax小于配制的CMS-R試樣，隨著振密的發(fā)展，前者的降低趨于收斂，而后者不收斂，從而在振密后期前者的Gmax大于后者。振動(dòng)密實(shí)后，CRS粗細(xì)兩組試樣的Gmax趨于一致，CMS的粗細(xì)兩組試樣的Gmax則形成剪刀差。對(duì)比可見同屬于珊瑚土的兩組試樣，因?yàn)轭w粒形狀及組成不同，表現(xiàn)出截然不同的工程性質(zhì)，體現(xiàn)出珊瑚吹填土工程性質(zhì)的區(qū)域性特征。

較之于珊瑚吹填土，陸源礫性土的Gmax隨振動(dòng)過程的發(fā)展模式相對(duì)簡(jiǎn)單。從圖3(b)～3(c)可見，標(biāo)準(zhǔn)砂和圓礫配制的GC試樣中，某一含礫量的試樣，Gmax隨試樣的振密過程成線性增加模式；對(duì)應(yīng)某一級(jí)振密，隨含礫量的增大，試樣的Gmax隨之增大；汶川礫性土WCG試樣的Gmax變化模式與GC試樣組相同。

另外比較圖3(a)～圖3(c)的體積變化范圍可見，級(jí)配良好的寬級(jí)配無黏性土CRS、CMS和WCG的可壓縮性類似，而級(jí)配不良的GC試樣組可壓縮性較差。這也符合一般工程認(rèn)知。

圖3 各試樣組Gmax與ΔV/V關(guān)系Fig.3 Relationship between Gmax and ΔV/V of samples

2.2 壓實(shí)度對(duì)Gmax的影響

λc=ρm/ρmax。

(3)

式中：ρm為第m級(jí)振密后的試樣干密度；ρmax表示試樣的名義最大干密度，對(duì)于粗粒土一般由振動(dòng)臺(tái)法獲得，工況與本試驗(yàn)相同。

將CRS、CMS和代表陸源寬級(jí)配無黏性土WCG試樣組Gmax-λc關(guān)系繪制于圖(4)，從圖中可見，CRS-F、CMS-F和WCG試樣的Gmax隨壓實(shí)度的增加而增大，這符合一般的工程認(rèn)識(shí)，但平均粒徑較大的珊瑚吹填土試樣CRS-R與CMS-R存在Gmax先增后減的壓實(shí)度閾值，其中CMS-R試樣的Gmax降低是不收斂的，這與以往對(duì)陸源無黏性土的工程認(rèn)識(shí)相悖。

圖4 各試樣組Gmax與λc關(guān)系Fig.4 Relationship between Gmax and λcof samples

上述五組試樣的最大Gmax和與之對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度如圖(5)所示。將圖(5)分為4個(gè)區(qū)，其中橫軸的分區(qū)線對(duì)應(yīng)壓實(shí)度0.95，該壓實(shí)度一般作為工程振動(dòng)加密合格與否的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，縱軸的分區(qū)線53 MPa，對(duì)應(yīng)于本試驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)砂試樣的最大Gmax。從圖5可見，5組試樣的最大Gmax都大于標(biāo)準(zhǔn)砂，說明材料此項(xiàng)性質(zhì)優(yōu)于砂土；CRS-F、CMS-F和WCG試樣都是在壓實(shí)度100%時(shí)獲得最大Gmax，試驗(yàn)點(diǎn)分布于右上區(qū)域，符合越振密材料剪切剛度越大的一般認(rèn)識(shí)；而CRS-R與CMS-R試樣獲取最大Gmax時(shí)的壓實(shí)度分別為93.0%和90.8%，試驗(yàn)點(diǎn)落于左上區(qū)域，即當(dāng)繼續(xù)振密時(shí)，試樣的Gmax將有所降低，因此對(duì)于此類工程材料，為獲得較大的Gmax，振動(dòng)加密過程應(yīng)該通過試驗(yàn)確定合理的壓實(shí)度區(qū)間，而不能如陸源無黏性土般不限制振密。

圖5 各試樣組最大Gmax與λcFig.5 maximal Gmax and λc of samples

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

無黏性土的力學(xué)特性是顆粒強(qiáng)度、顆粒間接觸及顆粒排列方式的外在反映。振動(dòng)加密過程中，顆粒間孔隙的減小，機(jī)械咬合力的增大將增加試樣的Gmax；但試樣的破碎將減小試樣的Gmax。

陸源無黏性土的顆粒強(qiáng)度較之試樣整體強(qiáng)度大，不易破碎，因此Gmax的變化受控于孔隙的變化，表現(xiàn)為試樣的Gmax隨試樣的振密而增加。

珊瑚吹填土顆粒強(qiáng)度較低，在振動(dòng)作用下易破碎，隨振動(dòng)加密過程，顆粒破碎增加，機(jī)械咬合力降低，試樣Gmax隨密度增加而增加的趨勢(shì)將減弱，最終降低的因素占據(jù)主動(dòng)，試樣表現(xiàn)為隨相對(duì)密度的增加剪切波速降低。本試驗(yàn)中，試驗(yàn)組CRS與對(duì)比組CMS同屬于珊瑚土，前者以片狀顆粒為主，細(xì)粒較多，后者主要是粒狀顆粒，基本不含細(xì)粒。在振密過程中，片狀結(jié)構(gòu)與粒狀結(jié)構(gòu)相比，顆粒間大量的點(diǎn)接觸被面接觸取代，對(duì)同類礦物，面接觸相對(duì)光滑，機(jī)械咬合力較小，因此片狀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為較小的Gmax；同時(shí)隨著振動(dòng)的加劇，較大的機(jī)械咬合力與較小的接觸面積更易引起顆粒的破碎，因此CMS試樣表現(xiàn)為相對(duì)密度閾值后剪切波速降低的加劇。

3 結(jié)論

通過對(duì)比試驗(yàn)，研究了珊瑚吹填土振動(dòng)加密過程中初始剪切模量Gmax的發(fā)展規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

(1)顆粒較粗、級(jí)配良好的珊瑚吹填土振動(dòng)加密過程中存在壓實(shí)度閾值，當(dāng)壓實(shí)度小于該值時(shí)，試樣Gmax隨壓實(shí)度增加而增大，當(dāng)壓實(shí)度大于該值，試樣Gmax隨壓實(shí)度增加反而減小。

(2)珊瑚吹填土振動(dòng)加密處理時(shí)，應(yīng)該通過試驗(yàn)確定合理的壓實(shí)度區(qū)間，而不能直接套用陸源無黏性土方法，單以95%為壓實(shí)度控制下限，這也是相關(guān)工程方法改進(jìn)的方向。

(3)顆粒形狀與級(jí)配共同影響珊瑚吹填土的Gmax，就地取材過程中其顆粒形狀與級(jí)配差別較大，因此珊瑚吹填土的工程性質(zhì)具有明顯的區(qū)域性。

(4)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)珊瑚吹填的剪切波速明顯大于陸源無黏性土，這與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果相符，但因?yàn)樵嚇涌紫洞笄覂?nèi)空隙豐富，造成試樣密度偏小，因此綜合反映在Gmax指標(biāo)中數(shù)值上兩者較為接近。

珊瑚吹填土是新的工程材料，相關(guān)研究仍然處于起步階段，對(duì)其工程性質(zhì)的認(rèn)識(shí)將隨著試驗(yàn)手段的提高和試驗(yàn)材料的豐富更加深刻。

致謝：本研究進(jìn)行中得到中交四航局秦志光高級(jí)工程師的指導(dǎo)與支持，在此表示誠摯的謝意。

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Abstract: As a new engineering material, coral reclaimed soil draws much attention for the demand of artificial island construction in South China Sea, and the investigation on its initial shear modulus (Gmax) paves the way for deformation and stability analysis of the island foundations. Experimental research on theGmaxof coral reclaimed soil during vibro-compacting is tested by an initial shear modulus test system of cohesiveless soil which was designed and developed by the authors. The coral soil is compared with continental sedimentary gravelly soil and general cohesiveless soil including standard sands and single grained gravel. The results show that the relationship betweenGmaxand compactness of coral reclaimed soil stays different from terrestrial cohesiveless soils, that theGmaxof the former increases with increasing compactness initially and afterward decreases after a threshold value, while theGmaxof the latter is monotonically increase. The study shows the engineering properties of coral reclaimed soil is significantly regional. During engineering construction, a reasonable compactness of coral reclaimed soil should be determined by test to control the effect of vibro-compaction, but not apply vibro-compaction method of terrestrial soil directly.

Key words: coral reclaimed soil; reef engineering; initial shear modulus; soil compaction degree; gravelly soils

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Experimental Investigation on Initial Shear Modulus of Coral Reclaimed Soil

WANG Yun-Long, YUAN Xiao-Ming, SUN Rui, ZHANG Wen-Bin, WANG Ke

(Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China)

TU47

A

1672-5174(2017)10-036-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20160473

汪云龍, 袁曉銘, 孫銳, 等. 珊瑚吹填土初始剪切模量試驗(yàn)研究[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 47(10): 36-41.

WANG Yun-Long, YUAN Xiao-Ming, SUN Rui, et al. Experimental investigation on initial shear modulus of coral reclaimed soil[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(10): 36-41.

中國地震局工程力學(xué)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2017B09)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41602321)資助 Supported by Scientific Research Fund of Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration(2017B09); National Science Foundation of China(41602321)

2017-05-10；

2017-07-12

汪云龍(1985-)，男，助理研究員，主要從事巖土地震工程、土工測(cè)試及地質(zhì)勘查等方面的研究工作。E-mail：wyl_iem@hotmail.com

?? 通訊作者：E-mail:yxmiem@163.com